Science | 丛枝菌根共生过程中一个新的基因调控模块

撰文 | 静思

自上个世纪八十年代出现菌根（mycorrhiza）的概念以来，大量的实验证实了丛枝菌根真菌 （AMF） 与宿主植物根系之间可以形成结构和功能上的共生体（AM） 【1】 。菌根共生可以影响植物营养和地下碳源的分配，进而影响生态系统的生产力，共生关系主要发生在植物根部皮层细胞内新生外胞室中，被称为丛枝的分化菌丝在这个界面与植物进行养分交换【2,3】。真菌从植物获得脂质等碳源作为自己的养料，同时帮助植物从土壤中获取磷酸盐等营养元素，可以显著促进植物的生长 【4】 。据研究，菌根共生出现在植物进化的早期【5】，其中有些蛋白是存在菌根共生现象植物特有的，例如细胞周期依赖性蛋白激酶CK，同时菌根共生植物中还存在一类CK家族相近的非常保守的蛋白激酶CYCLIN-DEPENDENT KINASE-LIKE （CKL），其中在模式植物蒺藜苜蓿中含有两个蛋白CKL1和CKL2 【6-8】。目前，CKL类蛋白的相关功能还未见报道。

近日，美国Boyce Thompson研究所Maria J. Harrison团队在Science上发表了题为Receptor-associated kinases control the lipid provisioning program in plant-fungal symbiosis的研究论文，该研究发现了两个皮质细胞特异性膜结合蛋白即周期蛋白依赖激酶蛋白类似的CKL1和CKL2调节植物与丛枝菌根真菌共生中脂质供应的新机制。

在该研究中，作者为了研究CKL1和CKL2的功能，首先分析了两个基因的表达模式，发现基因表达的主要调节因子对CKL的表达控制存在差异，同时分析转录组数据库，发现CKL2在AM共生系统中特异性表达，而CKL1的表达在非AM系统中也可以检测到；为了进一步明确CKL1和CKL2的功能，研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了两个独立等位基因和双基因的突变体材料，通过观测和菌根定植实验发现，突变体材料的根、茎生长均正常，但是相对于野生型突变体的菌根定植能力有不同程度下降，此外，突变体上定植菌丝出现衰老和丛枝萎缩现象，结合皮质细胞形成相关蛋白的检测，发现CKL1和CKL2是皮质细胞内源复制过程所必需的；分析未受菌根定植和受菌根定植的ckl突变体植株的转录本，结果显示，CKL1和CKL2的功能对于参与产生和向真菌提供脂质的基因表达是必要的。研究人员进一步通过亚细胞定位实验确定了CKL1主要定位在植物花束分枝顶端的丛枝周膜（PAM）以及细胞质和细胞核中，而CKL2则均匀分布在丛枝周膜（PAM）和整个质膜中；结构分析已知CKL蛋白缺乏跨膜结构域，但是存在肉豆蔻酰基化，实验证明肉豆蔻酰基化是CKL蛋白膜定位必需的；通过体外磷酸化实验，发现CKL蛋白的激酶活性也是其发挥功能所必需的，因此，作者认为CKL蛋白的激酶活性和膜定位功能是它们正常发挥功能所必需的。根据前面的实验数据，作者假设CKL蛋白可能参与了膜受体激酶的信号转导，通过体外激酶活性检测的数据分析，发现CKL蛋白是两类膜受体激酶DMI2和LysM-RLKs的一个子集。为了进一步探究CKL蛋白在受体类激酶膜信号转导中的作用，通过免疫共沉淀和双分子荧光互补实验，结合磷酸化实验数据，证实了CKL蛋白是受体类蛋白激酶底物的猜想。

紫花苜蓿中LysM-RLK基因家族存在功能冗余，其中LYK9突变后真菌定植适度减少，而DMI2对真菌定植也很重要，经过3周的真菌定植实验，发现DMI2缺失导致的根内真菌生长变慢不是由于表面的共生关系受损而是由于脂质的供应减少导致，进一步磷酸化位点的突变和回补等实验，确定DMI2位于CKL蛋白的上游，综上，DMI2和LysM-RLKs对于真菌定植植物根部是必须的。为了确定CKL蛋白的下游信号传导情况，作者重点研究了四类核心调控因子，包括钙调素依赖性蛋白激酶（DMI3）、DMI3的互作蛋白（IPD3）、转录调控因子RAM1和转录调控因子WRI5家族蛋白，它们共同调节许多细胞调控和脂质供应基因相关的转录活动，结果显示同时过表达两个WRI5转录因子，抑制了ckl2介导的共生表型。

综上所述，该研究发现了丛枝菌根共生过程中一个新的基因调控模块。即CKL蛋白通过在质膜（PM）和丛枝周膜（PAM）中的定位，将来自DMI2和LysM-RLKs的信号进行整合，导致几种转录因子功能激活，进而用于脂质的生物合成和输出。RAM2是脂质供应途径的核心组分，CKL信号传导很可能通过WRI5蛋白放大RAM1的调控功能，从而增加RAM2的表达。该研究揭示了菌根共生关系中脂质供应程序的两个不同但相关的基因调控模块，加深了我们对植物营养和生长调控过程的认识，具有重要的意义。

参考文献：

【1】A. Genre, L. Lanfranco, S. Perotto, P. Bonfante, Nat. Rev. Microbiol. 18, 649–660 (2020).

【2】M. Parniske, Curr. Opin. Plant Biol. 3, 320–328 (2000).

【3】M. J. Harrison, S. Ivanov, Curr. Opin. Plant Biol. 38, 101–108 (2017).

【4】A. Keymer, C. Gutjahr, Curr. Opin. Plant Biol. 44, 137–144 (2018).

【5】P. M. Delaux, S. Schornack, Science 371, eaba6605 (2021).

【6】A. Bravo, T. York, N. Pumplin, L. A. Mueller, M. J. Harrison, Nat. Plants 2, 15208 (2016).

【7】G. V. Radhakrishnan et al., Nat. Plants 6, 280–289 (2020).

【8】M. Menges, S. M. de Jager, W. Gruissem, J. A. H. Murray, Plant J. 41, 546–566 (2005).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1124